Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8a Linac s. Tak til Lars Præstegaard, som jeg har stjålet en del slides fra

Transkript

1 Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Forelæsning 8a Linac s Tak til Lars Præstegaard, som jeg har stjålet en del slides fra Linac s: Indledning LINAC: LINær Accelerator Mange accelererende strukturer (kaviteter) på linje efter hinanden Ønsker høj energitilvækst på kort afstand Store accelererende gradienter => Høj power => Stor varmeafsættelse => Pulseret Injektor f.eks. til synkrotron Undgår at bøje beamet Ingen dipol magneter svært at lave dipol felter >~ 10 T Ingen SR tab Næste verdens største accelerator bliver en Linac ILC (International Linear Collider) 1 TeV elektron accelerator, 50 km lang (superledende kavititer)

2 Tænkt LEP II E(GeV) B(T) ρ(m) I (ma) U 0 (GeV) P (MW) LEP 105 0, ,56 22 LEP II tænkt upgrade 210 0, Studstrup: 700 MW Energitab/omgang: U 0 (kev) = 88,5*E 4 (GeV) / ρ(m) Udstrålet effekt: P(kW) = U 0 (kev)*i(a) ρ er afbøjningsradius i bøjemagneterne Acceleration af en fremadskridende bølge Kræver at bølgens hastighed er den samme som partiklens hastighed

3 Bølgeledere TM mode har longitudinalt elektrisk felt Kan bruges til acceleration Men problem med fasehastighed Så tidligere at v ph >c Disk-loaded waveguide For at bremse de elektromagnetiske bølger indfører man blænder Blænderne ændre dispersionsfunktionen så både fasehastighed og gruppehastighed kan blive mindre end lysets hastighed v ph <c og v g <c Husk v ph =ω/k z og v g =dω/dk z 2

4 Dispersionsfunktionen For k z =0 (l z = ) er bølgekomposanterne vinkelret på udbredelsen Derfor ingen ændring af dispersionen Desto mere parallel desto mere indflydelse 2 Positiv interferens af reflektionerne ved k z *2L n*2π, n=1,2,3,.. (k z =n*π/l) Indkobling af power Feltet fra en TE 10 bølge i en tilkoblet bølgeleder passer med feltet fra en TM 01 bølge i vores disc-loaded struktur

5 Travelling wave (TW) acceleration Default.htm Resistivt tab i væggene + Energi overførelse til beamet Reduktion af mikrobølge effekten langs med disc-loaded bølgeleder: Travelling wave acceleration Travelling wave (TW) acceleration: Disk-loaded bølgeleder (nedbremsning af bølgen) Bølgen er synkron med beamet Input af elektromagnetisk bølge i den første celle Absorption af den overskydende effekt efter den sidste celle i en terminering Partiklerne skydes ind langs aksen af dics-loaded bølgeleder

6 Modes Man kan kun have tabsfri udbredelse hvis blændeafstanden er lig et helt antal af den longitudinale bølgelængde π mode: kræver lang indsvingningstid π/2 mode: lav gradient (lav energi tilvækst 2π/3 mode: godt kompromis Shunt impedans På samme måde som for en kavitet kan vi definere en shunt impedans for en Linac Her er r 0 : Shunt impedansen (per længde) U: Den spændingsforskel en partikel ser over længden l P RF : RF poweren K er en korrektionsfaktor (~0.8) Shunt impedansen afhænger af geometrien

7 Travelling wave acceleration Konstant shunt impedans Geometrien er konstant Gradienten (accelerationsspændingen) ændrer sig da effekten bliver mindre hen igennem Linac en Konstant gradient Man ændrer shunt impedansen (f.eks. blændediameteren) undervejs i strukturen, således at gradienten holdes konstant Fremadskridende eller stående bølger

8 Stående bølge (SW) acceleration SW acceleration med π mode: Partikel i hver anden kavitet Her er summen af de bølger nul Biperiodisk struktur 0- and π-modes: Large energy gain π/2-mode: Large group velocity Insensitive to geometrical errors Small energy gain coupling cavity (magnetic coupling) π/2 mode bi-periodic π/2 mode Biperiodic π/2-mode SW accelerating structure: All advantages for 0, π/2, π-modes

9 Medicinsk elektron linac Varian 600c biperiodic π/2-mode SW structure: coupling cavity microwaves in Normal cavity TW acceleration: Choice of frequency Low frequency: Large mechanical tolerances Large beam aperture Wake fields ω 2 (long.)/ω 3 (transv.) Stored energy per unit length ( ω -2 ) High frequency: Efficient acceleration (Z s ω ½ ) Higher threshold for breakdown LEP cavities: 350 MHZ Gradient: 6 MV/m CLIC cavities: 30 GHZ Gradient: 150 MV/m

10 ASP Linac (Melbourne, Australien) 100 MeV, 3 GHz elektron linac Linac animation

11 Drift rørs Linac (Drift Tube Linac: Alvarez kavitet) En (lang) kavitet der benyttes i en TM 010 mode Dvs feltet svinger med samme fase gennem hele strukturen Rør der skærmer partiklerne når feltet vender forkert Rørenes længde skal afpasses partiklernes hastighed Ofte anvendt til middelstore energier for ioner (op til 100 MeV) β ~ Injektor til synkrotron Typiske frekvenser MHz L = vt = v n RF f RF Alvarez Vs. Wideröe Wideröe Ikke resonant Kan (principelt) ændre frekvens og dermed hastighedsspan π mode feltretning skifter fortegn fra gab til gab Bruges ikke i dag Alvarez (DTL) Fastlagt frekvens Resonant => større feltstyrke => større energitilvækst Fastlagt hastighedsspan 0 eller 2π mode samme feltretning i alle gab Kan (principielt) ændre partikel (masse) ved at ændre feltets amplitude (og dermed energitilvækst) Bruges i dag v = 2E n n m = L f n RF E = E n start + n qu

12 GSI (UNILAC) Alvarez DTL 60 m long (5 tanke), 108 MHz Accelerer fra 1.4 MeV/u til 11.4 MeV/u (fuldt strippede) RF quadrupole (RFQ) linac RFQ linac: Bunching of beam Focusing of beam Acceleration of beam No beam loss! Acceleration of low velocity beams: times c (ions), From ~50 kev to some MeV Again a resonant structure Often preaccelerator for regular ion linacs (DTLs) Replaces often DC preaccelerators Electric force stronger than magnetic force for low velocities Velocity-independent focusing (focusing by electric field) microwave input

13 RF quadrupole (RFQ) linac Focusing and acceleration in an RFQ: E field RFQ electrodes Mode: TE 210 (modified by the vanes) ion microwave input Transverse component of E: Focusing Longitudinal component of E: Acceleration